Como bien han aprendido los físicos desde mediados del siglo XX, la mejor forma para explorar el interior de la materia es lanzar átomos y partículas subatómicas unos contra otros a altísimas velocidades. Si el material empleado en las colisiones está compuesto por elementos más pequeños, se romperá y se podrán ver los productos de deshecho. De igual modo, las tremendas energías liberadas permiten la aparición de otras partículas subatómicas que no existían antes del choque por obra y gracia de la ecuación más famosa de la física, E = mc2.
En este caso, una de las razones para llevar a cabo este conjunto de experimentos de colisiones de plomo contra plomo y plomo contra oro era recrear lo que sucedió en nuestro universo justo unas millonésimas de segundo después de la Gran Explosión, cuando tenía una temperatura 100 000 veces la del interior de nuestro Sol, esto es, del orden de cien mil millones de grados centígrados. Y lo que encontraron fue un nuevo estado de la materia, 20 veces más denso que el núcleo atómico: el plasma de gluón-quark.
Introducción a los estados de la materia
La materia, en su infinita variedad, constituye todo lo que nos rodea. Desde las partículas más pequeñas hasta las estructuras más grandes del universo, está formada por átomos y moléculas que interactúan de diversas maneras. Tradicionalmente, se nos ha enseñado que la materia se presenta en tres estados básicos: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, los avances en la física y la química han revelado la existencia de otros estados más exóticos y complejos. Estos descubrimientos no solo amplían nuestro conocimiento sobre el universo, sino que también desafían nuestras percepciones de lo que es la materia y cómo se comporta bajo diferentes condiciones.
Definición de materia y sus propiedades básicas
La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio. Esta definición abarca una amplia variedad de formas y estructuras, desde las más pequeñas partículas subatómicas hasta las galaxias más vastas. Las propiedades básicas de la materia incluyen la masa, que es una medida de la cantidad de materia en un objeto, y el volumen, que es el espacio que ocupa. Estas propiedades son fundamentales para comprender cómo interactúan los diferentes estados de la materia entre sí y con su entorno. Además, la materia está compuesta por átomos, que a su vez están formados por partículas subatómicas como protones, neutrones y electrones. Estas partículas interactúan a través de fuerzas fundamentales, lo que determina las propiedades físicas y químicas de la materia.
Los estados clásicos: sólido, líquido y gaseoso
Los estados clásicos de la materia son sólido, líquido y gaseoso, cada uno con características distintas. En el estado sólido, las partículas están fuertemente unidas, lo que le confiere una forma y un volumen definidos. Los sólidos no son fácilmente compresibles debido a la rigidez de sus estructuras. En contraste, el estado líquido tiene un volumen definido pero no una forma fija, adaptándose al contenedor que lo contiene. Las partículas en un líquido están menos unidas que en un sólido, lo que les permite fluir y tomar la forma del recipiente. Por último, el estado gaseoso carece de forma y volumen definidos, ocupando todo el espacio disponible. Las partículas en un gas están mucho más separadas y se mueven libremente, lo que permite la compresibilidad y la expansión del gas.
Explorando los nuevos estados de la materia
El cuarto estado de la materia: el plasma
El plasma es uno de los estados más fascinantes y abundantes de la materia en el universo. Se forma cuando un gas se calienta a temperaturas tan altas que los electrones se separan de sus átomos, creando una sopa de núcleos atómicos y electrones libres. Este estado ionizado es capaz de conducir electricidad y es altamente sensible a campos magnéticos. El plasma está presente en el sol y en la mayoría de las estrellas, así como en fenómenos terrestres como los rayos y las auroras boreales. A pesar de su abundancia en el universo, el plasma es menos común en la Tierra, donde lo encontramos principalmente en dispositivos como las lámparas fluorescentes y las pantallas de plasma.
El fascinante mundo del condensado de Bose-Einstein
El condensado de Bose-Einstein (CBE) es un estado de la materia que se forma a temperaturas extremadamente bajas, cerca del cero absoluto. En estas condiciones, los átomos de un gas pierden su identidad individual y se comportan como un único "superátomo". Este fenómeno fue predicho teóricamente por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose en la década de 1920, pero no fue hasta 1995 que se logró crear un CBE en el laboratorio. Los condensados de Bose-Einstein ofrecen una ventana única para estudiar la mecánica cuántica a gran escala, ya que permiten observar comportamientos cuánticos en sistemas macroscópicos. Este estado de la materia ha abierto nuevas áreas de investigación en la física, con aplicaciones potenciales en la tecnología cuántica y la computación.
El plasma de gluón-quark: el descubrimiento del estado post-Big Bang
El plasma de gluón-quark es un estado de la materia que se cree existió brevemente después del Big Bang, cuando el universo era extremadamente caliente y denso. En este estado, los quarks y gluones, que son los constituyentes fundamentales de los protones y neutrones, se encuentran libres y no confinados dentro de partículas subatómicas. Este estado fue recreado en experimentos de colisiones de alta energía, como los realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El estudio del plasma de gluón-quark proporciona información valiosa sobre las condiciones extremas del universo primitivo y los procesos que llevaron a la formación de la materia tal como la conocemos hoy. Este descubrimiento ha sido crucial para comprender la física de partículas y la evolución del universo.
Estados intermedios y otros fenómenos
Ni sólido ni líquido, sino ambas cosas: los cristales líquidos
Los cristales líquidos son un estado de la materia que combina propiedades de los sólidos y los líquidos. A diferencia de los sólidos, los cristales líquidos no tienen una estructura rígida, pero a diferencia de los líquidos, poseen un cierto grado de orden molecular. Esta dualidad les permite fluir como un líquido mientras mantienen una orientación estructurada similar a la de un sólido. Los cristales líquidos son fundamentales en la tecnología moderna, especialmente en las pantallas de cristal líquido (LCD) que se utilizan en televisores, monitores y dispositivos móviles. Su capacidad para cambiar de fase bajo diferentes condiciones de temperatura y presión los hace extremadamente versátiles y útiles en una variedad de aplicaciones tecnológicas.
Algo más que sólido: el supersólido y otros
El concepto de un supersólido es intrigante porque combina características de los sólidos con propiedades de superfluidez, una fase en la que la materia fluye sin fricción. En un supersólido, se espera que los átomos mantengan una estructura ordenada como en un sólido, pero que también puedan desplazarse sin resistencia, como en un superfluido. Aunque el concepto fue propuesto teóricamente hace décadas, solo recientemente se han obtenido evidencias experimentales de su existencia. Este estado de la materia desafía nuestra comprensión de las fases tradicionales y plantea preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia a nivel cuántico. Otros estados exóticos, como los líquidos de espín cuántico y los cristales de tiempo, también están siendo investigados, ampliando los límites de lo que consideramos posible en la física de la materia.
Transiciones y cambios de estado
Cómo la temperatura y presión alteran los estados
La temperatura y la presión son factores cruciales que determinan el estado de la materia. Al variar estas condiciones, las partículas en una sustancia pueden cambiar de un estado a otro. Por ejemplo, al aumentar la temperatura, las partículas ganan energía cinética, lo que puede llevar a transiciones de sólido a líquido (fusión) o de líquido a gas (evaporación). De manera similar, al reducir la temperatura, las partículas pierden energía, lo que puede resultar en la condensación de un gas a líquido o la solidificación de un líquido a sólido. La presión también juega un papel importante, ya que puede forzar a las partículas a acercarse más entre sí, favoreciendo la formación de sólidos o líquidos. Estos cambios de estado son fundamentales en la naturaleza y en numerosas aplicaciones industriales.
Principales cambios de estado: fusión, evaporación y más
Los cambios de estado son procesos por los cuales una sustancia pasa de un estado de la materia a otro. La fusión es el proceso de cambio de sólido a líquido, como cuando el hielo se derrite en agua. La evaporación es el cambio de líquido a gas, observable cuando el agua se convierte en vapor. La sublimación es un cambio directo de sólido a gas, como ocurre con el hielo seco. La solidificación es el proceso inverso de la fusión, donde un líquido se convierte en sólido. La condensación es el cambio de gas a líquido, visible cuando el vapor de agua se convierte en gotas de agua. Otros cambios incluyen la deposición, donde un gas se convierte directamente en sólido, y la ionización, cuando un gas se convierte en plasma. Estos procesos son esenciales para comprender los ciclos naturales y las aplicaciones tecnológicas.
Conclusiones y reflexiones sobre los estados de la materia
La exploración de los estados de la materia nos revela un universo más complejo y dinámico de lo que podríamos imaginar. Desde los estados clásicos que aprendemos en la escuela hasta los más exóticos que desafían nuestra comprensión, cada estado ofrece una visión única de las interacciones fundamentales de las partículas. A medida que avanzamos en nuestra capacidad para manipular y observar estos estados, no solo ampliamos nuestro conocimiento científico, sino que también abrimos nuevas posibilidades tecnológicas. La investigación continua en este campo promete desvelar más secretos de la materia y su comportamiento, proporcionando una base sólida para futuras innovaciones y descubrimientos.
Referencias:
- Goodstein, D. L. (1985). States of matter. Courier Corporation.
- Barker, J. A., & Henderson, D. (1976). What is" liquid"? Understanding the states of matter. Reviews of Modern Physics, 48(4), 587. doi: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.48.587?_gl=11f0569s_gcl_auMTk3MzYzNDc3Ni4xNzM0MzUxMzU3_gaMTg4NTg0NDg0OC4xNzM0MzUxMzU3_ga_ZS5V2B2DR1*MTczNDM1MTM1Ny4xLjAuMTczNDM1MTM1Ny42MC4wLjE1MzQ0OTEzNzk.
- Svistunov, B. V., Babaev, E. S., & Prokof'ev, N. V. (2015). Superfluid states of matter. Crc Press.
